橡膠彈性物理學

書名：橡膠彈性物理學

ISBN：:

作者：特雷勞爾L.R.G.著

出版社：北京:化學工業出版社

年份：1982

頁數和開本：268頁;21cm

叢編項：

題名：ThePhysicsofRubberElasticity

高聚物在高彈態(橡膠態)時具有的高彈性，又稱橡膠彈性。它是相對於普彈性而言的，是高聚物區別於其他材料的一個重要特性。所謂普彈性就是金屬或其他無機材料的屬性，即在力場作用下，材料產生瞬時的可逆形變，應力與應變成正比，服從胡克定律，且形變數甚小，僅為千分之幾或更小。高彈態高聚物的彈性形變則數值很大，可達百分之幾或更大。在絕熱拉伸或壓縮過程中，處於高彈態的高聚物（如橡膠）的溫度能上升，金屬的溫度則下降。橡膠的彈性模量較小,□約10□～10□牛/米□(1牛／米□＝1帕),金屬模量甚高,□可達10□～10□牛/米□。在平衡狀態時，橡膠的彈性模量與溫度成正比，而金屬的模量則與溫度成反比。高聚物的高彈性可用熱力學和統計力學的觀點來加以闡明。

高彈性的熱力學解釋根據熱力學定律，在外力作用下，熵、內能和應力、應變有下列關係：

□式中□□為應力,□為絕對溫度,□為伸長，□為熵，□為內能。可以看出，在恆溫拉伸下，熵隨形變的增加而減小時，其減小值等於定伸長下應力隨溫度的增加而增加的量，即拉伸力正比於絕對溫度，這一點為K.H.邁爾等的實驗結果（見圖在定伸長下(35％)，力與絕對溫度的函數關係）所證實。

在215～340K的溫度範圍內，應力隨溫度呈線性增加，而且應力基本上正比於絕對溫度，即□或□，因此熵的變化對橡膠的高彈性的貢獻是主要的。在玻璃化溫度(213K)時，應力與溫度的關係有一反轉點，在此溫度以下或拉伸形變小於10％時，應力隨溫度的升高而下降，從而出現熱彈性反轉點，這主要是固體的熱膨脹性所致，因而與內能有關。

從橡膠絕熱形變時橡膠本身的溫度上升也能看出高彈性與熵有關。橡膠絕熱形變時的熱效應□□可用下式計算：

□(1)式中□□為定伸下樣品的比熱容;□□和□分別為樣品的原始長度和拉伸長度。□□可由實驗直接測定，也可由□代入式(1)計算而得。試驗值與計算值一致，證明高彈性的熱效應是熵變所引起的。通過橡膠的熱效應還可證明，在最初的形變階段（約10％拉伸），樣品溫度略有下降，這與橡膠在小形變時以內能變化為主，大形變時以熵的變化為主的結論相一致。

高彈性的統計力學解釋長鏈分子的彈性高分子鏈的構象統計理論指出，一個高分子鏈的均方末端距為□,其中□為鏈的鏈節數,□為每個鏈節的有效長度。假定鏈是無規連接的，則當一個高分子鏈的一端固定在坐標原點時，另一端在□處的體積單元d□內出現的概率為：□,其中□。符合這種統計分佈的高分子鏈稱為高斯鏈。